酶的作用机制

• 接受或提供电子，激活亲电剂或亲核剂； 催
• 本ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ作为亲电剂或亲核剂；
化 反
• 掩蔽亲核剂，防止不需要的副反应发生； 应
•
通过配位健将酶和底物结合，并引起底物的形变；
结合 底物
• 保持反应基团处于所需的三维取向（定向）；
维持
• 稳定酶的构象。
构象
4.4 辅因子在酶促反应中的作用
– 金属酶和金属激活酶
– 酸（或碱）暂时提供（或接收）一个质子 以稳定过渡态达到催化反应的目的。
• 狭义的酸碱催化（强酸、强碱等） • 广义的酸碱催化（包括能提供或吸取质子的有
机物的催化）
4.1 酶催化的化学机制
HA S H S * A H S* H P
A HS HA S *
S * P
4.1 酶催化的化学机制
4.2 酶催化的专一性与高效性
底物与酶结合的能量曲线
4.2 酶催化的专一性与高效性
– 酶与底物的结合有两种情况：酶与基态底物的 结合；酶与过渡态底物的结合。很多情况下后 者的结合更强。
烯醇式丙酮酸为乳酸脱氢酶、丙酮酸激酶、草酰乙酸脱羧 酶、丙酮酸羧化酶等的共同过渡态底物
4.2 酶催化的专一性与高效性
4.1 酶催化的化学机制
– 同一种氨基酸残基既可进行酸碱催化，又 可进行共价催化
• 氨基酸残基所处的微环境 • 底物的类型
4.1 酶催化的化学机制
• 4.1.3 多元催化
– 酶的多元催化通常是几个基元反应协同作用的 结果。
• 如胰凝乳蛋白酶通过Asp102, His57, Ser195组成的电 荷接力系统完成催化反应
• 4.1.5 微观可逆原理
– 正反应方向最可能产生的过渡态也是逆反应最 可能生产的过渡态。或者说正反应沿着某一最 可能的途径进行反应，那么逆反应最可能的途 径就是它的逆转。
4.2 酶催化的专一性与高效性
• 4.2.1 过渡态和活化能
过渡态理论：化学反应的进行不是直接由反应物生成产 物，而首先要形成过渡态反应物（高反应活性的中间状 态，原子排列极不稳定的状态），然后由过渡态转变为 产物。
溶菌酶催化的糖链中D糖环的形变
4.2 酶催化的专一性与高效性
酶活性中性的诱导契合示意图
4.2 酶催化的专一性与高效性
• 4.2.5 微环境的影响
– 溶剂的性质对有机反应速度的影响很大。如二 甲基硫氧和二甲基甲酰胺等溶剂，不能溶合负 离子，特别适合于亲核取代反应。
– 有些酶（如溶菌酶）活性中心的特定氨基酸可 以提供非极性微环境，有利于反应的进行。也 有些提供酸性微环境、碱性微环境等。
– B. 碱土金属离子结合（Ca+、Mg+）
• 比较强的结合； • 起结合底物的作用，如肌酸激酶； • 起稳定结构的作用。
4.4 辅因子在酶促反应中的作用
– C. 过渡金属阳离子激活（Cu、Zn、Mo、Fe、 Co阳离子）
• 结合很强，通常形成金属酶； • 发挥的作用多样，如结合底物、直接参与反应、作为
– 变性剂（盐酸胍、尿素、稳定、pH等）的作用 破坏酶的次级作用力，导致其结构松散，称为 去折叠(Unfolding)；同时酶的活性也丧失，称 为变性(Denaturation)。
– 酶活性丧失的速度远大于整体构象变化的速度。 P72页表4-2。
4.3 酶活性部位柔性的假说
金黄色 葡萄球 菌核酸 酶的活 性丧失 （1）和 构象变 化（2）
• 4.2.3 邻近效应与定向效应(proximity and arientation)
– 邻近效应
• 酶与底物形成复合物时，底物分子和底物分子之间(如 双分子反应)、酶的催化基团与底物分子之间，由于结 合形成了一个分子，反应基团的有效浓度得到了极大的 升高，反应速度得到了大大增加的效应。
4.2 酶催化的专一性与高效性
4.1 酶催化的化学机制
4.1 酶催化的化学机制
溶菌酶的催化反应机制示例。Glu35为非解离的，可以 提供质子；Asp52为解离的，可以“稳定”正碳离子。
4.1 酶催化的化学机制
• 4.1.2 共价催化(covalent catalysis)
– 又称亲核催化或亲电催化，指亲核催化剂或 亲电催化剂能分别放出电子或汲取电子并作 用于反应物的缺电子中心或负电中心，迅速 形成不稳定的共价键结合，形成过渡态，从 而降低反应活化能，加速反应。
共价中间络合物 作用残基
酰基-酶
Cys
Schiff碱
Lys
咪基-酶
His
葡萄糖-酶
Cys
Schiff碱
Lys
酰基-酶
Ser
磷酰基-酶
Ser
磷酰基-酶
Glu
Schiff碱
Lys
4.1 酶催化的化学机制
– 共价催化与酸碱催化的差别
• 酸碱催化涉及到质子的转移，共价催化涉及到 电子的转移
• 酸碱催化通过离子键形成过渡态络合物，共价 催化通过共价键形成过渡态络合物
4 酶的作用机制
4 Mechanism of the Enzymatic Reactions
本章内容
• 酶催化的化学机制 • 酶催化的专一性与高效性 • 酶的活性部位柔性假说 • 辅因子在酶促反应中的作用 • 酶作用机制的研究方法 • 酶反应机制实例
掌握 了解
4.1 酶催化的化学机制
• 4.1.1 酸碱催化
将其转化为HCO3-; 步骤三：活性中性通过Zn2+与另外1个H2O分子的结合和电
离再生。
4.1 酶催化的化学机制
– (C) 金属离子通过电荷屏蔽催化反应
有些带负电荷的底物会排斥亲核攻击的电子对， 而金属离子与此类底物的结合可以屏蔽其负电 荷。例：Mg2+-ATP复合物。
4.1 酶催化的化学机制
4.1 酶催化的化学机制
– 例子
• 伯胺催化的乙酰乙酸脱羧过程。第一步，形 成希弗碱(Schiff Base)，削弱了-CH2-和-COO的键合；第二步，脱羧；第三步，从溶液中 吸取质子；第四步，从溶液中吸取羟基，希 弗碱分解。
4.1 酶催化的化学机制
非酶催化的乙酰乙酸脱羧机制以及伯胺催化的脱羧机制
过渡态的自由能（G）最高，反应物 的自由能（G）次之，产物的自由能 （G）最低。要使反应发生必须跃过 反应物和过渡态之间的能级。
4.2 酶催化 的专一性与高效性
反应能量曲线。(a) 非催化反应，催化反应和 有中间物的催化反应；(b) 酶促反应
4.2 酶催化的专一性与高效性
– 过渡态与中间物
• 中间物与过渡态为两个不同的概念。中间物不 太稳定，过渡态极不稳定。如酶底物复合物可 以看成中间物。由反应物生产中间物和由中间 物生产产物同样需要经过过渡态。
• 金属酶：酶与金属离子结合紧密。 • 金属激活酶：酶与金属结合不紧密。
– 酶与金属、底物的结合方式
• 酶桥配合物：M-E-S； • 底物桥配合物：E-S-M； • 金属桥配合：E-M-S
4.4 辅因子在酶促反应中的作用
– A. 碱金属离子激活（Na+、K+）
• 与酶的结合是最弱的结合； • 稳定酶的活性构象； • 促进底物与酶的结合。
• 甲基葡萄糖的变旋反应，受酚和吡啶的单独催化， 当将酚和吡啶基团组成一个共同的分子时其催化效 率大大提高
• 羧肽酶的Glu270, Tyr248等。
4.1 酶催化的化学机制
• 4.1.4 金属离子催化
– 约三分之一的酶需要金属离子
• 金属酶，紧密结合金属离子。所含离子：Fe2＋、Fe3＋、 Cu2＋、Mn2＋、Co3＋。
同一反应类型的分子间(左)和分 子内反应(右)
4.2 酶催化的专一性与高效性
–定向效应
• 反应物的反应基团之间，酶的催化基 团与底物的反应基团之间的正确取位 后反应速度增大的效应
– 邻羟基苯丙酸的内酯形成 – 不同自由度的酯形成酐的相对速度比较
4.2 酶催化的专一性与高效性
• 4.2.4 底物的形变和酶的诱导契合模型
4.3 酶活性部位柔性的假说
• 诱导契合学说指出：酶与底物结合并不是 直接的密切互补匹配，而是在底物的诱导 下酶的活性中心发生一定程度的构象变化， 酶与底物发生互补契合。
酶的结构有：部分刚性，-螺旋、-折叠、转角相 对刚性； 部分柔性，环结构、无规卷曲柔性。
4.3 酶活性部位柔性的假说
• 4.3.1 酶的活性丧失和整体构象变化的关系
柔性结构变化 使活性丧失
刚性结构变化 致整体变性
4.3 酶活性部位柔性的假说
• 4.3.2 酶活性部位的柔性
– 酶活性部位（活性中心）的柔性比酶的其它部位 更大。
– 活性部位的柔性是酶充分表现其活性所必需的。
• 通过诱导契合更牢固地结合底物； • 残基侧链活性基团（催化基团）的有限运动更有利于催
化的高效性； • 酶活性的调节性，如别构酶、磷酸化酶等。
在许多金属离子参与催化的反应中金属离子起 类似于质子的作用，但浓度更高、能力更强， 有超级酸（Super acids）之称。例：二甲基草 酰乙酸盐的脱羧反应。
4.1 酶催化的化学机制
金属离子 催化的草 酰乙酸盐 脱羧机制
4.1 酶催化的化学机制
– (B) 金属离子通过水的电离促进亲核催化
金属离子的电荷性使其结合的水分子比自由H2O的酸性更 强，因此在中性pH条件下，溶液中具有更多的OH-和H+， 如(NH3)5Co3+(H2O)分子中水的电离：
• 构成活性中心的残基位于柔性的转角和环的局部区域 内。
• NMR研究表明，活性部位残基的运动性大，而其它部 位的运动性小。
4.3 酶活性部位柔性的假说
如剪刀， 刀片是刚 性的，但 刀片间可 以相对运 动。
4.4 辅因子在酶促反应中的作用
• 4.4.1 金属激活酶和金属酶
– 三分之一的酶需要金属离子，金属离子的作用：
– 在酶催化反应中起广义酸碱催化的氨基 酸包括
• Glu, Asp, His, Lys, Cys, Tyr
4.1 酶催化的化学机制
– 例子
• 酮和烯醇的互变异构反应 • 溶菌酶催化糖苷键的水解 • 组氨酸在中性条件下既可以接收质子，也可以
传递质子，如丝氨酸蛋白酶中的电荷接力系统。
4.1 酶催化的化学机制
– 底物与酶专一性的结合后发生形变、扭曲，使 其结构更接近与过渡态，降低了反应的活化能， 使反应速度极大地增加。（形变）
– 同时，酶活性中性的结构也会因结合底物而发 生相应的改变，并处于更具有催化活性的构象。 （诱导契合）
4.2 酶催化的专一性与高效性
底物（反 应物）的 形变示意 图
4.2 酶催化的专一性与高效性
4.2 酶催化的专一性与高效性
• 4.2.2 酶和底物的结合作用
– 酶与底物的结合可以极大地增加酶促反应的速 度，原因在于由E+S形成ES的活化能较低，而 有ES到ES*(ES的过渡态)的活化能也较低。类 似于将一个难的过程分为几个较简单的过程， 如爬楼梯。
P67页上的错误，“酶催化的 活性”应为“酶催化的活化
• 金属激活酶，松散结合或不结合。所需要离子：钠、钾、 镁、钙等。
4.1 酶催化的化学机制
– 酶反应中金属离子所发挥的作用
• 与底物结合，使其在反应中正确定向； • 通过金属离子氧化态的变化进行氧化还原反应； • 通过静电作用稳定或掩蔽负电荷。
4.1 酶催化的化学机制
– (A) 金属离子通过荷电稳定性促进催化
(NH3 )5 Co3 (H 2O) (NH3 )5 Co3 (OH ) H
例：二氧化碳水合酶的催化机制
4.1 酶催化的化学机制
二氧化碳水合酶的结构(左)及催 化机制(右)
4.1 酶催化的化学机制
例：二氧化碳水合酶的催化机制 步骤一：酶的3个His侧链与1个H2O与Zn2+形成配位键，
Zn2+通过广义酸Glu106或Glu117作用使H2O极化电离； 步骤二：与Zn2+结合的OH-亲核攻击附近与酶结合的CO2，
– 酶的柔性和刚性是局部的，也是相对的。柔性部 位的维持必须有刚性部分的支撑。
4.3 酶活性部位柔性的假说
• 4.3.3 酶活性部位柔性和整体结构刚性的实例
– 金黄色葡萄球菌核酸酶
• 其结构由3个螺旋（刚性）、5个折叠（刚性）、两个 反转角（柔性）和两个环构成（柔性），螺旋和折叠 结构域之间的凹槽为活性中心。
4.1 酶催化的化学机制
– 共价催化具有亲核、亲电过程 （1）催化剂和底物进行亲核反应形成共价键。 （2）再通过同一催化剂进行亲电催化，从反应
中心吸收电子。 – 将共价催化归入亲核或亲电催化，取决于哪个
反应过程慢。亲核慢则为亲核催化，亲电慢则 为亲电催化。
4.1 酶催化的化学机制
酶 3-磷酸甘油醛脱氢酶 D-氨基酸氧化酶 Gly咪基转移酶 蔗糖磷酸化酶 转醛醇酶 胰蛋白酶 碱性磷酸酯酶 ATP-柠檬酸解酶 果糖二磷酸醛缩酶